Chegando com segurança a Vênus e Titã: atmosferas diferentes afetam os escudos térmicos de maneira diferente, mostra estudo

Entrar na atmosfera de um planeta é uma manobra perigosa para qualquer espaçonave, pois ela deve suportar o intenso calor friccional gerado pelo contato em alta velocidade com átomos e moléculas.

É por isso que os landers e os rovers têm escudos térmicos. E uma nova pesquisa da Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois Urbana-Champaign sugere que a composição da atmosfera tem um grande impacto no funcionamento dos escudos térmicos.

Um escudo térmico “respira” quando atinge a atmosfera. A superfície do escudo começa a queimar, num processo chamado ablação. Para imitar o hipersônico velocidade de entrada de uma espaçonave, uma equipe de pesquisadores liderada por Francesco Panerai, professor do Departamento de Engenharia Aeroespacial, fez experiências com escudos térmicos no túnel de vento Plasmatron X no Centro de Hipersônicos e Estudos de Sistemas de Entrada, que fica a poucos quarteirões do campus da universidade.

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Quadros de imagem de alta velocidade ilustram eventos extremos de explosão de partículas em nitrogênio supersônico. Em casos raros, são observadas partículas viajando rio acima, indicando um mecanismo de ejeção acionado por pressão. (Crédito da imagem: Francesco Panerai/Universidade de Illinois)

“O que foi muito surpreendente no estudo é que, quando trocamos o gás, o fenômeno da ablação se comportou de maneiras diferentes”, disse Panerai em uma declaração de 12 de março. “Em um ambiente aéreo clássico onde há oxigênio presente, a ablação acontece de forma constante. O fluxo ao redor da espaçonave corrói a superfície e as partículas são ejetadas como um fluxo constante.”

Quando o material da camada externa da proteção térmica sofre erosão, parte dele pode se acumular na superfície da proteção, obstruindo potencialmente algumas áreas e impedindo que o material abaixo “respire”. Isso pode afetar o desempenho do escudo. No novo estudo, os pesquisadores descobriram que a alteração dos gases com os quais a blindagem entra em contato também altera seu desempenho.

“Quando o oxigênio é removido, esse fenômeno se torna instável. Explosões intermitentes de partículas são ejetadas e, às vezes, o processo se torna violento”, disse Panerai. “Estou envolvido em pesquisas sobre ablação há mais de 15 anos e nunca vi isso. Ficamos todos realmente surpresos quando observamos pela primeira vez esse comportamento no túnel.”

pronto para um lançamento em 2028 em direção à enorme lua de Saturno Titã. Titã tem uma atmosfera densa que é bem diferente da o da Terra: É composto por cerca de 95% de nitrogênio e 5% de metano, enquanto o nosso é composto por 78% de nitrogênio e 21% de oxigênio.

O Dragonfly estudará a superfície de Titã, o que poderá dar aos cientistas pistas sobre se os lagos e rios de hidrocarbonetos da Lua contêm ou não moléculas que são um precursor para a vida.

“Embora este trabalho não influencie diretamente o design do escudo térmico, ele tem implicações muito profundas na física do material – na forma como o material se comporta em temperaturas extremas”, diz Panerai. “Compreender em que condições esse fenômeno se torna proeminente durante o voo pode nos ajudar a projetar melhores escudos térmicos”.